Беседы о физике и технике

9. Электроэнергетика

Все больше и больше времени проходит с того дня 1921 г., когда в нетопленном зале Большого театра, заполненном молодыми бойцами Красной Армии, рабочими и крестьянами, где проходил VIII Всероссийский съезд Советов, прозвучали слова В. И. Ленина о том, что план, разработанный Государственной комиссией по электрификации России (ГОЭЛРО), является второй программой партии. Это были не менее неожиданные слова, чем другое знаменитое высказывание В. И. Ленина: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны».

И сейчас еще можно услышать вопросы: почему именно электрификация стала частью этой формулы? Почему не машиностроение? Не металлургия?

Ленин так обосновал названную формулу:

Так начинает раскрываться перед нами глубина формулы: не одна какая-нибудь отрасль экономики, а вся экономика, вся индустрия, все ее ключевые отрасли должны получить развитие на базе новой техники и высшей производительности труда, причем развитие максимальное, комплексное, основанное на глубоко продуманном размещении производительных сил в стране.

ИНТЕРЕСНО БЫЛО БЫ ПРОСЛЕДИТЬ ЗА ТЕМ, КАК РЕАЛИЗОВЫВАЛСЯ ЭТОТ ПЛАН.

Планом, рассчитанным на 10–15 лет, предусматривалось сооружение 30 электростанций общей мощностью 1750 МВт. Мощности эти должны были «набираться» из агрегатов колоссальной по тем временам единичной мощности — до 25 МВт. Таких машин не знала еще ни российская, ни европейская практика, но к их разработке смело приступили инженеры ленинградского завода «Электросила». Среди первенцев наших электростанций были Шатурская ГРЭС (1922) мощностью 5 МВт, Волховская ГЭС (1928) мощностью 30 МВт, Каширская ГРЭС (1922) и др. Самой крупной электростанцией была Днепровская ГЭС мощностью 200 МВт.

Практически каждые 10 лет в стране утраивается мощность электростанций. Соответственно выработка электроэнергии растет на 11 %. И если в 1913 г. выработка электроэнергии в России составила 8 % от выработки в США, то в 1973 г. — 44 %, а в 1984 г. — более 50 %. За время 1913–1974 гг. США увеличили производство электроэнергии в 74 раза, СССР — в 457 раз.

Выдвинутая Лениным задача «сэкономить труд централизацией», задача всемирной концентрации производства электроэнергии, создания мощных высокопроизводительных машин нашла свое развитие в тенденции роста мощностей станции и единичных мощностей агрегатов. Если в начале осуществления плана ГОЭЛРО на станциях устанавливались в основном турбогенераторы мощностью 10–16 МВт, то уже в 1927 г. их единичная мощность достигла 24 МВт. В 1937 г. был создан турбогенератор с рекордной для того времени мощностью 100 МВт, а в 1980 г. на Костромской ГРЭС был запущен блок мощностью 1200 МВт.

Дальнейшее повышение мощностей агрегатов будет связано с широким использованием достижений современной науки — физики и техники сверхнизких температур, физики твердого тела, физики плазмы.

Мы вправе гордиться успехами советской энергетики. В СССР построены крупнейшие в мире тепловые, атомные и гидравлические электрические станции, эксплуатируются и сооружаются линии высокого и сверхвысокого напряжения, ведутся разработки новых способов производства, преобразования и передачи электроэнергии.

КАКАЯ ОТРАСЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ СЕЙЧАС ЯВЛЯЕТСЯ ОСНОВНОЙ?

Основная доля электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). В последние годы количество выработки электроэнергии на ТЭС уменьшается (84 % в 1970 г. и 80 % в 1980 г.). Однако их роль в энергетике будет еще долгое время оставаться определяющей. Основным химическим топливом на ТЭС являются уголь, нефть, газ, торф, сланец и др.

Большинство крупных тепловых электрических станций в настоящее время работает на угле. Особенно богаты угольные запасы в Сибири. Так, балансовые запасы угля в Канско-Ачинском бассейне составляют 115 млрд. т. На базе этого месторождения планируется построить ТЭС общей мощностью в 5∙10⁴ МВт. Экибастузское месторождение располагает запасами угля в 9,2 млрд. т. На базе этого бассейна планируется строительство ТЭС общей мощностью (1,6÷2,0). 104 МВт.

КАКОВ ВКЛАД ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ?

Вторым по значению источником электрической энергии в общем балансе страны являются гидравлические электрические станции (ГЭС).

Электрическая энергия ГЭС самая дешевая, а мобильность ГЭС, т. е. способность в считанные минуты входить в режим, во много раз выше, чем у тепловых и атомных станций. Это особенно важно при автоматизированном уровне управления энергосистемами. Немаловажную роль имеет, несмотря на существенные первичные затраты и длительность строительства, самоокупаемость.

Так, Братская ГЭС дала первый ток в 1961 г. Полная мощность после пуска всех агрегатов составила 4,425∙10³ МВт. В 1977 г. станция уже в 67 раз окупила затраты на свое сооружение. Одновременно произошло сокращение обслуживающего персонала почти на 50 %.

Образование водохранилищ при бережном учете всех факторов должно способствовать улучшению обработки земель, принести воду в засушливые районы. К сожалению, развитие гидроэнергетики далеко не всегда сопровождалось у нас бережным отношением к природе. Печальные результаты этого хорошо известны: затопление большого количества плодородных земель при строительстве равнинных гидроэлектростанций, нарушение водного баланса целых регионов, например Арала и др.

Важное достоинство ГЭС заключается в неиссякаемости энергоресурсов рек и весьма низкой себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии. Уже построены Красноярская (6∙10³ МВт), Братская (4,5∙10³ МВт), Иркутская (0,65∙10³ МВт), Богучанская (4∙10³ МВт), Усть-Илимская (4,3∙10³ МВт), Саяно-Шушенская (6,4∙10³ МВт) и др. Вводится ряд крупных ГЭС в Средней Азии и на Дальнем Востоке. Для обеспечения электроэнергией промышленных районов в пиковые часы вводятся гидроаккумулирующие станции — Чебоксарская (2,2∙10³ МВт), Загорская (1,2∙10³ МВт), Днепровская (0,21∙10³ МВт).

И все же энергия рек, видимо, не сможет стать основой энергетики будущего. Специалисты считают, что уже через сто лет практически все гидроресурсы в развитых странах будут задействованы. Даже при этом гидроэлектростанции дадут не более 1/5 всей потребной энергии.

ВЫ СКАЗАЛИ О НЕИСЧЕРПАЕМОСТИ ЭНЕРГИИ РЕК. ЭТОГО НЕ СКАЖЕШЬ О ТОПЛИВЕ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ.

К сожалению, и запасы нефти, газа, угля — наиболее популярных в современной энергетике топлив — отнюдь не бесконечны.

Миллионы лет понадобились природе, чтобы создать эти запасы, расходуются же они несравненно быстрее. По оценкам экспертов, всех разведанных на Земле запасов угля, нефти и газа хватит примерно на 175 лет. Конечно, могут быть разведаны новые месторождения, могут быть разработаны новые методы извлечения топлива из земных недр, но скорее всего возрастет и потребление энергии.

ЗНАЧИТ, НУЖНЫ НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ?

В поисках новых источников ученые давно исследуют ресурсы, таящиеся в водах Мирового океана. Одно из направлений — использование энергии приливов. Советские исследователи считают, что современное состояние техники в СССР позволяет построить приливные электростанции с общей годовой выработкой 10⁸ МВт электроэнергии.

В 1968 г. дала первый ток советская приливная электростанция (ПЭС) мощностью 0,4 МВт в заливе Кислая Губа вблизи Мурманска. Она стала прообразом приливных электростанций, проектируемых в нашей стране.

В СССР используют и другие источники для получения электрической энергии. К ним относятся тепло подземных вод, энергия Солнца, ветра и др. Уже сейчас по стоимости киловатта мощности установки, использующие энергию ветра, могут конкурировать с энергией, вырабатываемой на тепловых электростанциях. Однако названные источники энергии вряд ли в ближайшем будущем смогут удовлетворить все возрастающие потребности в электроэнергии.

ВЫ НИЧЕГО НЕ СКАЗАЛИ ОБ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ. ЧТО, ПОСЛЕ ЧЕРНОБЫЛЯ В НЕЙ ПОЯВИЛИСЬ СОМНЕНИЯ?

Катастрофа на Чернобыльской АЭС показала, как далеко зашло человечество во взаимоотношениях с тем миром, в котором оно существует, насколько высокой бывает цена халатности и ошибки. Какой вывод из этого надо сделать? — Остановиться в движении вперед? Или двигаться так, чтобы исключить подобные ошибки?

Использование энергии расщепления атомного ядра — естественный шаг на пути расширения энергетической базы, попытка уменьшить непроизводительную трату невозобновляемых земных ресурсов: нефти и газа.

В некоторых случаях атомная электростанция — единственная возможность создания промышленной энергетической базы (например, в условиях Заполярья). Уже сейчас атомная энергетика, хотя и является молодой отраслью науки и техники, составляет заметную долю в энергетическом комплексе страны. Первая в мире атомная электростанция (АЭС) мощностью около 5 МВт была пущена в СССР в 1954 г. Мощность станции небольшая, но с ее пуском была доказана возможность мирного использования энергии атома.

В СССР разработана долговременная программа строительства АЭС. В конце 1985 г. в СССР построено или находится в стадии строительства свыше 30 АЭС общей мощностью 26 803 МВт, среди которых Ленинградская имени В. И. Ленина, Нововоронежская имени 50-летия СССР, Курская, Смоленская и др.

Ведутся разработка и освоение производства энергоблоков мощностью 800 тыс. кВт с реакторами на быстрых нейтронах. Решаются научно-технические проблемы, связанные с созданием энергоблоков мощностью 1500 тыс. кВт с реакторами на тепловых нейтронах и мощностью 1600 тыс. кВт с реакторами на быстрых нейтронах.

Нет сомнений в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе. Но надолго ли хватит урана? Не встанет ли перед человечеством та же проблема, что и сейчас, — проблема ограниченности запасов природных источников энергии? По подсчетам ученых, атомного топлива хватит очень надолго. На несколько сотен лет хватит урана, находящегося в земной коре. А дальше? Около 4 млрд. т урана растворено в воде Мирового океана. Правда, извлечение его из морской воды пока еще недостаточно освоено. Однако нет никаких сомнений, что эта техническая задача будет решена.

И ВСЕ ЖЕ НЕОБХОДИМ НЕИССЯКАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.

Наиболее перспективным источником электроэнергии станет использование термоядерного синтеза. Теоретическая схема высвобождения термоядерной энергии совершенно ясна. Да и практически ядерный синтез осуществлен в земных условиях при взрывах водородных бомб. Получить же управляемый термоядерный синтез оказалось крайне сложной задачей. Плазма оказалась очень капризной субстанцией, сопротивляющейся всем попыткам ограничить ее свободу. Большие трудности предстоит преодолеть ученым при осуществлении термоядерной реакции. Солнце на Земле пока еще остается мечтой ученых. Но многие достижения последнего времени свидетельствуют о том, что эта мечта станет явью. Видимо, уже в XXI в. человечество получит в свое распоряжение неиссякаемый источник энергии.

В настоящее время успешно продвигаются работы по управлению термоядерной реакцией на основе магнитного удержания высокотемпературной плазмы. В 80-е годы был достигнут большой прогресс в этой области, в особенности на установках типа ТОКАМАК, разработанных советскими учеными. Например, в ТОКАМАК Т-10 ведутся исследования физических свойств плазмы при температуре в девяносто миллионов градусов. Эта температура была получена в 1987 г.

Полным ходом сооружается более крупный ТОКАМАК Т-15, предназначенный для изучения плазмы с параметрами реального термоядерного реактора.

В отличие от существующей энергетики термоядерная энергетика будет работать на водороде, точнее, на изотопе водорода — дейтерии. Кроме того, в термоядерном реакторе будет использоваться литий.

Переработка воды и добыча из нее дейтерия будут производиться не на самой электростанции, а централизованно для всех станций страны. Процесс этот давно и хорошо отработан и уже сейчас настолько дешев, что затраты на дейтерий не идут ни в какое сравнение с затратами на добычу обычного топлива. А если учесть, что максимальная энергия, которую можно производить на Земле, не рискуя вызвать климатической катастрофы, ограничена примерно 1 % падающей на Землю солнечной энергии, то при такой мощности электростанций запасов дейтерия в воде океанов хватит примерно на 300 млн. лет.

ХОТЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ЛЕГКО ПЕРЕДАВАТЬ НА РАССТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ ЕЕ ПЕРЕДАЧИ ВСЕ ЖЕ СУЩЕСТВУЮТ?

Сегодня каждый школьник знает, что электроэнергия передается по проводам откуда угодно и куда угодно. Передавать электроэнергию приходится на большие расстояния. Это связано, во-первых, с тем, что около ³/₄ энергетических ресурсов находятся у нас на Востоке страны, более 70 % потребителей энергии и около 80 % населения — в европейской части. В ближайшем будущем это соотношение вряд ли существенно изменится.

Во-вторых, переработка больших количеств электроэнергии необходима нам из-за огромной протяженности страны с востока на запад. Когда на востоке страны наступает ночь, за Уралом начинается трудовой день и потребление энергии там резко возрастает. Как известно, электрическую энергию еще не научились запасать впрок в сколько-нибудь значительных количествах. Производственную энергию нужно сразу потребить. Да и выключить «на время» современную электростанцию невозможно.

Проблема передачи больших количеств электрической энергии на большие расстояния необычайно сложна. Часть энергии при передаче расходуется на нагревание проводов, т. е. теряется бесполезно. Чтобы уменьшить эти потери, приходится повышать напряжение, при котором передается энергия. После ввода в 1922 г. Каширской ГРЭС, а затем в 1925 г. Шатурской были построены первые в стране линии передачи напряжением 110 кВ. В годы первых пятилеток напряжение в линиях электропередачи повысилось до 220 кВ.

Ввод в действие Куйбышевской и Волгоградской ГЭС потребовал для передачи больших количеств энергии и перехода на новые напряжения. К 1958 г. была построена линия передачи на 500 кВ. Уже более 60 лет продолжается своеобразная «гонка напряжений»: каждые 10–15 лет напряжение в линиях передачи увеличивается в среднем в 1,75 раза.

ЧЕГО НАМ ЖДАТЬ В БЛИЖАЙШИЕ ГОДЫ?

Сейчас в СССР применяют линии передачи на переменном токе с напряжением 750 кВ и на постоянном — 80 кВ. Ведутся работы по созданию линии электропередачи Казахстан — Центр протяженностью 2,7 тыс. км на постоянном токе с напряжением 1,5-106 кВ и линии передачи на 1,15∙10⁶ кВ на переменном токе. Эта линия свяжет мощные тепловые электростанции, построенные в Экибастузском угольном районе, с энергопотребляющими районами Центра европейской части СССР. В дальнейшем для передачи электроэнергии из Восточной Сибири в европейскую часть страны, по всей вероятности, потребуется сооружение линий электропередачи на постоянном токе с напряжением 2,2–2,4 млн. кВ.

РАССКАЖИТЕ О ЕДИНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЕ СТРАНЫ.

Одним из главных достижений советской энергетики является создание крупнейших энергетических систем. Такие системы, управляемые из одного центра, позволяют маневрировать мощностями, «перебрасывать» энергию на большие расстояния туда, где в данный момент она нужнее всего.

В Единую энергосистему страны (ЕЭС) объединено около 94 % всех энергомощностей страны, суммарная мощность входящих в нее электростанций около 300 ГВт.

Велики достижения советской энергетики. Еще грандиозней ее перспективы.

Часто можно услышать, что в нашей стране «море электричества». Сейчас установленная мощность в стране несколько превысила 300 ГВт, т. е. на одного жителя нашей страны приходится более 1 кВт (или немного более одной лошадиной силы). В сравнении со многими странами мира это много, но если исходить из потребностей, то это не очень густо. По старым понятиям с таким тяглом крестьянин не считался даже середняком. К тому же мощность еще не работа. Поэтому по-прежнему актуально звучит ленинский призыв о строгой экономии электроэнергии. Подсчитано, что до 10 % экономии ресурсов можно получить бережным отношением к расходованию электроэнергии. С помощью 1 кВт∙ч электроэнергии можно выплавить 10⁴ кг чугуна, смолоть 12,5 кг зерна, выстирать 60 кг белья, выпечь 90 кг хлеба, произвести 2 пары обуви, вывести 30 цыплят и т. д.

Являясь ключевой отраслью экономики, энергетика служит одним из главных рычагов ускорения прогресса науки и техники, органического соединения достижений научно-технической революции с социалистической системой хозяйствования.